Roman skytes opp lørdag — en milliard galakser for å løse mysteriet om mørk energi

Roman Space Telescope skytes opp lørdag midt i kosmologiens største åpne måleproblem: to uavhengige måter å måle hvor raskt universet utvider seg på, er uenige med 8 prosent. Mål den kosmiske mikrobølgebakgrunnen – lyset fra 380 000 år etter Big Bang – og utvidelseshastigheten kommer ut på nær 67 kilometer per sekund per megaparsec. Mål cefeider og type Ia-supernovaer i nærheten, og du får omtrent 73. Gapet mellom dem er 4 til 6 standardavvik bredt. I fysikk er ikke det en avrundingsfeil. Det er et signal om at noe er galt i standardmodellen.

Nancy Grace Roman Space Telescope, som letter klokken 07.26 Eastern Time fra Kennedy Space Center på en SpaceX Falcon Heavy-rakett, er det mest kapable instrumentet som hittil er designet for å finne ut hva. Med et speil på 2,4 meter – samme diameter som Hubbles – og et nærinfrarødt kamera på 300 megapiksler som ser et himmelfelt 200 ganger bredere enn Hubbles synsfelt, kan Roman bygge de storskala kartene over galaksefordelingen som den nåværende spenningen krever.

Bevisene som knakk standardmodellen

Mørk energi ble identifisert i 1998, da to uavhengige team som målte avstandene og flukthastighetene til type Ia-supernovaer, fant at fjerne galakser beveget seg bort raskere enn en utvidelse som bremses av gravitasjonen skulle tillate. Observasjonen ga Nobelprisen i 2011 og førte inn et ledd – den kosmologiske konstanten Λ – i standardmodellen for kosmologi. Λ går ut på at mørk energi er konstant både i tetthet og karakter, en fast egenskap ved rommet selv.

Anbefalt lesingDESI kartla mørk energi — og fant at universet ikke er jevnt fordelt.

To nyere funn har komplisert bildet. Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) offentliggjorde resultater som viser at baryonakustiske oscillasjoner – periodiske tetthetsmønstre som har vært frosset inn i det kosmiske nettet siden 380 000 år etter Big Bang – passer dataene bedre hvis mørk energis styrke har endret seg over tid. Funnet beviser ikke variasjon; det er et hint, og det statistiske grunnlaget er ennå ikke avgjørende. Men det er den mest betydningsfulle empiriske utfordringen mot Λ siden Nobelprisen.

Hubble-spenningen legger enda et presspunkt. Hvis standardmodellen er riktig, burde både målingene fra det tidlige universet og de lokale målingene konvergere mot samme utvidelseshastighet. Det gjør de ikke. Den nyeste analysen med JWST-kalibrerte cefeider bekrefter den lokale verdien på nær 73 km/s/Mpc. Verdien fra CMB holder seg på nær 67. Avviket har ikke krympet med mer data – det har vokst.

Hva Roman vil måle, og hvordan

Roman vil angripe problemet med mørk energi gjennom tre uavhengige kanaler.

Den første er type Ia-supernovaer, som fungerer som standardiserbare avstandsmarkører: hver av dem når en forutsigbar maksimal lysstyrke som avslører hvor langt unna den er. Ved å sammenligne avstand med rødforskyvning – hvor mye en galakses lys er strukket av universets utvidelse – får man utvidelseshastigheten i den kosmiske epoken. Roman forventes å oppdage tusenvis av supernovaer per år over et langt bredere rødforskyvningsområde enn bakkebaserte undersøkelser, og kartlegge universets akselerasjonshistorie med en presisjon som dagens instrumenter ikke kan nærme seg.

Den andre kanalen er baryonakustiske oscillasjoner. Disse lydbølgene fra det tidlige universet etterlot en karakteristisk skala preget i hvordan galakser klumper seg – en statistisk preferanse for galaksepar som er adskilt med omtrent 490 millioner lysår. Den skalaen fungerer som en «standardlinjal»: mål hvor stor den ser ut ved ulike rødforskyvninger, og du kan rekonstruere universets utvidelseshistorie i hver kosmiske epoke. Romans vidfeltsavbildning vil kartlegge millioner av galakser og gi en statistisk styrke som dagens undersøkelser ikke kan matche.

Den tredje er svak gravitasjonslinsing: den svake forvrengningen av bakgrunnsgalaksers former på grunn av massen i forgrunnsstrukturen. Linsing sporer hvordan materie har klumpet seg over tid, noe som er følsomt både for mørk materies tetthet og mørk energis oppførsel. Sammen med supernova- og BAO-data gir linsing en kryssjekk som kan avgjøre om et avvik i utvidelseshistorien er reelt eller instrumentelt.

Sammenlignet med det som kom før

Hubbles infrarøde kamera dekker omtrent 10 kvadratbueminutter per eksponering. Roman dekker omtrent 0,28 kvadratgrader – grovt regnet 100 ganger arealet med sammenlignbar oppløsning og dybde. Vidfeltinstrumentet vil se himmelfelt som ville tatt Hubble år å kartlegge, på uker. JWST tilbyr ekstraordinær dybde, men et synsfelt som ligner Hubbles; JWST er mikroskopet, Roman er vidvinkelobjektivet. ESAs Euclid, som ble skutt opp i 2023 og allerede leverer data, dekker et bredere felt enn Roman, men med lavere romlig oppløsning og dybde; begge oppdragene forventes å utfylle hverandre.

Skalaforskjellen er oppdragets kjerneargument. Å måle mørk energis egenskaper med den presisjonen som skal til for å skille en ekte kosmologisk konstant fra en som utvikler seg, krever statistiske utvalg på millioner av objekter. Hubble-spenningen kan ikke løses med små undersøkelser – den krever en fullstendig kartlegging.

Hva Roman ikke vil avgjøre

Romans målinger vil skjerpe begrensningene for mørk energi betydelig, men de vil ikke løse alle spørsmål som nå er knyttet til den. Instrumentet kan ikke oppdage mørk energi direkte – det måler effektene på observerbare størrelser, og disse målingene bærer med seg sine egne systematiske usikkerheter. Kalibreringen av type Ia-supernovaer, for eksempel, avhenger av cefeide-avstandsmålinger, som igjen avhenger av hvordan stjernenes pulsasjonsegenskaper påvirkes av deres kjemiske miljø. Den kalibreringskjeden er nøyaktig der Hubble-spenningen lever i dag.

Hvis Romans data snevrer inn H0-gapet – og skyver lokale målinger og målinger fra det tidlige universet nærmere hverandre – vil det tyde på at spenningen skyldtes en systematisk feil i tidligere målinger som man ikke hadde tatt høyde for. Hvis gapet består eller utvides etter Romans forbedrede kalibrering, vil det være sterke bevis på at standardmodellen virkelig er ufullstendig. Det utfallet ville være det mest betydningsfulle, men det ville ikke i seg selv peke på hva som er galt – bare bekrefte at noe er det.

Jason Rhodes, kosmolog ved NASAs Jet Propulsion Laboratory og involvert i oppdraget, beskrev situasjonen rett fram: «Vi begynner å se spenninger mellom målinger av det tidlige universet og målinger av det sene universet.» Roman ble designet spesifikt for å få disse spenningene til enten å forsvinne eller stivne til en bekreftet anomali.

Idriftsettelsen tar omtrent 90 til 100 dager etter oppskytning; de vitenskapelige observasjonene ventes å starte tidlig i 2027. Teleskopet vil operere ved Lagrange-punktet L2, omtrent 1,5 millioner kilometer fra Jorden, der JWST allerede går i bane. Primæroppdraget varer i fem år.

Vanlige spørsmål om Roman-teleskopet og mørk energi

Hva er mørk energi, egentlig?

Mørk energi er navnet på den ukjente årsaken til universets akselererende utvidelse. Den utgjør omtrent 68 prosent av universets totale energiinnhold ifølge dagens estimater, men dens fysiske natur er fortsatt ukjent. Den enkleste modellen behandler den som en konstant energitetthet som er iboende i tomt rom. Mer komplekse modeller tillater at den endrer seg over tid eller har en annen karakter enn den kosmologiske konstanten. Roman er designet for å skille mellom disse mulighetene.

Hva er Hubble-spenningen?

Hubble-konstanten (H0) måler hvor raskt universet utvider seg akkurat nå. To brede kategorier av målinger – én som bruker den kosmiske mikrobølgebakgrunnen som utgangspunkt, og én som bruker nærliggende standardlyskilder som cefeider og supernovaer – gir konsekvent ulike verdier, henholdsvis nær 67 og 73 km/s/Mpc. Avviket er statistisk signifikant nok til at det ikke troverdig kan forklares med tilfeldigheter, men årsaken er uavklart.

Hvordan skiller Roman seg fra James Webb-romteleskopet?

JWST er optimalisert for dype, smale observasjoner av enkeltobjekter med ekstraordinær følsomhet. Roman har samme speilstørrelse som Hubble, men et synsfelt som er 100 til 200 ganger større; det bytter dybde mot bredde. De to teleskopene er designet for å arbeide sammen: Roman finner og kartlegger i stor skala, JWST følger opp spesifikke mål i detalj.

Hvorfor betyr mørk energi noe utover kosmologien?

Mørk energi avgjør universets langsiktige skjebne. Hvis den virkelig er konstant, vil universet fortsette å akselerere i det uendelige, og til slutt skille galakser fra hverandre så mye at de kommer utenfor rekkevidde for hverandres lys. Hvis mørk energi endrer seg over tid – eller reverseres – endres banen. Romans målinger vil avgrense hvilke av disse scenarioene som er fysisk plausible.

Hvis Hubble-spenningen overlever Romans granskning, vil kosmologien trenge en ny modell – en som er i stand til å forklare hvorfor universets tidligste og nyeste utvidelsessignaturer ikke lenger stemmer overens.

Tagger: nasa, cosmology, Dark Matter, dark energy, Hubble tension, Nancy Grace Roman Space Telescope

Mer som dette

Jupiter slynger elektroner til nær lysets hastighet, slik supernovaer gjør

Kvasarens svarte hulls vinder er 100 ganger sterkere enn modellene spådde

JWSTs røde prikker er sorte hull som vokser ti ganger for raskt

JWST avslører at tidlige galakser skjuler fire ganger mer masse i små stjerner

Det sorte hullet J1007+3540 våkner etter 100 millioner år i ro

Webb målte et svart hull på 13 milliarder år — det ble dannet før sin egen galakse